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1、第2章 微型计算机的基本组成电路,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,2,本章教学目的,通过回顾计算机基本组成电路,引出微机中最常用的部件名称,并掌握其工作原理,包括ALU、触发器、寄存器、存储器和总线结构等,使学生理解数据的存储与流通的原理。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,3,本章 学习要求,1.掌握 算术逻辑单元、触发器、寄存器、存储器、总线结构 存储器的类型及性能指标 随机存储器RAM的结构原理(SRAM,DRAM),只读存储器 ROM的结构原理(PROM,EPROM,EPROM)。,2.理解 控制字、数据存储、数据流通的原理; 典型芯片的引脚及存储
2、器容量的扩展,3.了解 ASCII码及数字和大写字母AZ的ASCII码表述,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,4,本章 主要外语词汇,ALU :Arithmetic Logical Unit,算数逻辑部件 Register:寄存器 Memory:存储器 RAM:Random Access Memory,随机存储器 ROM:Read Only Memory,只读存储器 MDR:Memory Data Register,存储器数据寄存器 MAR:Memory Address Register,存储器地址寄存器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,5,主要内容,AL
3、U、触发器、寄存器 三态电路、总线结构 存储器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,6,2.1 算术逻辑部件ALU,主要功能,符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,7,2.2 触发器,触发器(trigger)是计算机的记忆装置的基本单元,也可说是记忆细胞。触发器可以组成寄存器,寄存器又可以组成存储器。寄存器和存储器统称为计算机的记忆装置。 微型计算机所用触发器一般用晶体管元件而不用磁性元件。这是因为晶体管元件可以制成大规模的集成电路,体积可以更小些。 下面简要介绍RS触发器、D触发器和JK触发器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,8,2.2
4、.1 RS触发器,S端一般称为置位端,使Q=1(Q=0) R端一般称为复位端,使Q=0(Q=1),2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,9,图2.3 RS触发器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,10,时标RS触发器为了使触发器在整个机器中能和其他部件协调工作,RS触发器经常有外加的时标脉冲。,CLK为时标脉冲。,无论是置位还是复位,都必须在时标脉冲端为高电位时才能进行。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,11,2.2.2 D触发器,RS触发器有两个输入端S和R。为了存储一个高电位,就需要一个高电位输入的S端;为了存储一个低电位,就需要另
5、一个高电位输入的R端。不方便。,D触发器是在RS触发器的基础上引伸出来的,它只需一个输入端口。,复位,置位,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,12,时标D触发器,时标脉冲CLK一般都是方波,在CLK处于正半周内的任何瞬间,触发器都有翻转的可能,并不能保证时序电路动作一致性。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,13,边缘触发的D触发器,为了使计算机的动作整齐划一,总是想由时标CLK来指挥整个机器的行动,采用时标边缘触发的方式就可以得到准确划一的动作。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,14,在一些电路中,有时需要预先给某个触发器置位(即置1)
6、或清除(即置0),而与时标脉冲以及D输入端信号无关,这就是所谓预置和清除。,触发器的预置和清除,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,15,边缘触发的D触发器在计算机中常用的符号。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,16,2.2.3 JK触发器,在RS触发器前面增加两个与门,并从输出(Q和Q)到输入(与门的输入端)作交叉反馈,即可得到JK触发器。,JK触发器是组成计数器的理想记忆元件。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,17,图2.10 JK触发器,JK触发器的动作状态,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,18,JK触发器的工作
7、过程,(1) 当J=0,K=0,触发器保持闭锁状态。,(2) J=0,K=1,触发器仍处于复位状态(Q=0,Q=1)。,(3) J=1,K=0,触发器就仍处于置位状态(Q=1,Q=0)。,(4) J=1,K=1,触发器翻转,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,19,JK触发器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,20,2.3 寄存器,寄存器(register)是由触发器组成的。一个触发器就是一个一位寄存器。由多个触发器可以组成一个多位寄存器。,计数器一个计数脉冲到达时,会按二进制数的规律累计脉冲数;,常见的寄存器有:,缓冲寄存器用以暂存数据;,移位寄存器能
8、够将其所存的数据一位一位地向左或向右移;,累加器用以暂存每次在ALU中计算的中间结果。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,21,2.3.1 缓冲寄存器,其基本工作原理为:设有一个二进制数,共有4位数: X=X3X2X1X0,要存到这个缓冲寄存器(buffer)中去,此寄存器是由4个D触发器组成的。,将数据X装到寄存器中去的过程,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,22,上述缓冲寄存器的数据X输入到Q只是受CLK的节拍管理,即只要一将X各位加到寄存器各位的D输入端,时标节拍一到,就会立即送到Q去。有时想让其中的数据多留一些时间,但由于不可控之故,在CLK正前沿一
9、到就会立即被来到门口的数据X替代掉。,可控缓冲寄存器,带寄存器的装入门LOAD的缓冲寄存器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,23,在X0端送入数据(0或1)后, 如LOAD端(以下简称为L端)为低电位,则右边的与门被阻塞,X0过不去,而原来已存在此位中的数据由Q0送至左边的与门。此与门的另一端输入从非门引来的与L端反相的电平,即高电位。所以Q0的数据可以通过左边的与门,再经或门而送达D0端。这就形成自锁,即既存的数据能够可靠地存在其中而不会丢失。,LOAD门工作原理:,如L端为高电位,则左边与门被阻塞而右边与门可让X0通过,这样Q0的既存数据不再受到自锁,而X0可以到达D0
10、端。只要CLK的正前沿一到达,X0即被送到Q0去,这时就叫做装入(LOAD)。一旦装入之后,L端又降至低电平,则利用左边的与门,X0就能自锁而稳定地存在Q0中。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,24,上面的门电路称作“L门” :高电平时使数据装入,低电平时数据自锁在其中。,对于多位的寄存器,每位各加一套L门电路。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,25,可控缓冲寄存器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,26,2.3.2 移位寄存器,移位寄存器(shifting register)能将其所存储的数据逐位向左或向右移动,以达到计算机在运
11、行过程中所需的功能,例如用来判断最左边的位是0或1等。电路原理图如图2.16所示。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,27,图2.16 移位寄存器简化原理,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,28,CLK前沿未到 Q=Q3Q2Q1Q0=0000,左移寄存器的左移过程:,第1前沿来到 Q=0001,第2前沿来到 Q=0011,第3前沿来到 Q=0111,第4前沿来到 Q=1111,第5前沿来到,如此时Din仍为1,则Q不变,仍为1111。,当Q=1111之后,改变Din,使Din=0,如何变化?,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,29,和缓冲寄
12、存器一样,在整机运行中,移位寄存器也需要另有控制电路,以保证其在适当时机才参与协调工作。这个电路和图2.13一样,只要在每一位电路上增加一个LOAD门(L门)即可达到控制的目的。,可控移位寄存器,SHL左移(shift to the left) SHR右移(shift to the right),2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,30,2.3.3 计数器,计数器(counter)是由若干个触发器组成的寄存器,计数器也是一种寄存器,行波计数器 同步计数器 环形计数器 程序计数器,特点:能够把存储在其中的数字加1。,主要计数器有:,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷
13、强,31,行波计数器1,第1个时钟脉冲促使其最低有效位(least significant bit,LSB)加1,由0变1。第2个时钟脉冲促使最低有效位由1变0,同时推动第2位,使其由0变1。同理,第2位由1变0时又去推动第3位,使其由0变1,这样有如水波前进一样逐位进位下去。,工作原理,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,32,行波计数器2,例:下图采用JK触发器组成行波计数器工作原理J,K输入端都是悬浮,各位都处于准备翻转的状态时钟脉冲边缘(下降沿)一到,最右边的触发器就会翻转初值Q=Q3Q2Q1Q0=0000第1时钟后沿到Q=0001第2时钟后沿到Q=0010第3时钟后沿
14、到Q=0011第4时钟后沿到Q=0100第15时钟后沿到Q=1111第16时钟后沿到Q=0000,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,33,行波计数器3,图2.19 可控计数器原理,可控计数器,增加计数控制端COUNT,当COUNT为高电位时,JK触发器才可能翻转;当COUNT为低电位时就不可能翻转。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,34,环形计数器,一般用于发出顺序控制信号,在计算机控制器中是一个很重要的部件,图2.21 环形计数器的电路原理,环形计数器只有一个高电位,其它位都为0,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,35,环形计数器2,当
15、CLR端有高电位输入时,除右边第1位(LSB)外,其他各位全被置0(因清除电位CLR都接至它们的CLR端),而右边第1位则被置1(因清除电位CLR被引至其PR端)。即开始时, Q3 Q2 Q1Q0 =0001,第一个时钟脉冲正边缘来到时,Q3 Q2 Q1Q0 =0010,第2个时钟脉冲前沿来到时,Q3 Q2 Q1Q0 =0100,第3个时钟脉冲前沿来到时,Q3 Q2 Q1Q0 =1000,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,36,图2.22 环形计数器的符号,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,37,程序计数器,可以从0开始计数,也可以将外来的数装入其中,需要C
16、OUNT输入端和LOAD门,图2.23 程序计数器,是一种行波计数器,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,38,2.3.4 累加器,累加器除了能装入及输出数据外,还能使存储其中的数据左移或右移,所以它又是一种移位寄存器。,图2.24 累加器的符号,累加器也是一个由多个触发器组成的多位寄存器,作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。在微型计算机的数据处理中担负着重要的任务。,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,39,2.4 三态输出电路,三态输出电路可以由两个或非门和两个NMOS晶体管(T1,T2)及一个非门组成,三态输出电路,又称三态门,三态门具有单向导通和三态的特性,为了使一条信号传输线能与多个触发器接通,2018/10/26,微型计算机原理及应用_宋廷强,40,三态输出电路2,工作原理,当ENABLE(选通端)为高电位时,两个或非门的输出状态将由于A端的电位来决定。,这就是说,在选通端(E端)为低电位时,A端和B端是不相通的,即它们之间存在着高阻状态。,